永磁同步電機同步電機交流變頻電機筆記

1、總結：兩種永磁同步電動機的比較 (1) 無刷直流電動機（簡稱BDCM，又稱梯形波永磁同步電動機/方波電動機）： 其出發(fā)點是用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極，將原直流電動機的轉子電樞變?yōu)槎ㄗ?。有刷直流電動機是依靠機械換向器將直流電流轉換為近似梯形波的交流，而BDCM是將方波電流（實際上也是梯形波）直接輸入定子， 其好處就是省去了機械換向器和電刷，也稱為電子換向。為產(chǎn)生恒定電磁轉矩，要求系統(tǒng)向BDCM輸入三相對稱方波電流，同時要求BDCM的每相感應電動勢為梯形波，因此也稱BDCM為方波電動機；（調速性能好、堵轉轉矩大） (2) 永磁同步電動機（簡稱PMSM,又稱正弦波電動機）： 其出

2、發(fā)點是用永磁體取代電勵磁式同步電動機轉子上的勵磁繞組，以省去勵磁線圈、滑環(huán)和電刷。PMSM的定子與電勵磁式同步電動機基本相同，要求輸入定子的電流仍然是三相正弦的。為產(chǎn)生恒定電磁轉矩，要求系統(tǒng)向PMSM輸入三相對稱正弦電流，同時要求PMSM的每相感應電動勢為正弦波，因此也稱PMSM為正弦波電動機。 總結一：1.交流變頻電機雙邊勵磁的電機，轉子交流勵磁，可自行起步，存在轉差率S；2.同步電機雙邊勵磁的電機，轉子直流勵磁，不可自行起步3.無換向器同步電機由同步電動機、位置檢測器和電力電子裝置組成的電子運行電機系統(tǒng)，其調速性能類似于直流電動機。由于其定子繞組電流的頻率受轉速自動控制、可消除振蕩，所以亦

3、稱為自控式同步電動機4.永磁同步電機轉子采用永磁體，添加位置傳感器，采用逆變電路控制?？偨Y二：調速電動機：調速電動機最常用的有交流變頻電動機、磁阻電動機、有刷直流電動機和無刷直流電動機同步電機的結構 同步電動機也是由靜止的定子和轉動的轉子兩個基本部分組成的。 1定子 由于同步電機的定子結構部件和異步電動機一樣，起著接收、輸出電能和產(chǎn)生旋轉磁場的作用，它們的結構形式并無多大區(qū)別，所以同步電動機的定子也是由導磁的定子鐵心和導電的三相交流繞組，以及固定鐵心用的機座和端蓋等部件組成。 2轉子 同步電機的轉子有兩種結構形式，一種是有明顯磁極的，稱為凸極式，如圖113 (a)所示；另一種轉子為一個圓柱體，

4、并無明顯磁極，稱為隱極式，如圖113(b)所示。 (a) (b)圖113 旋轉磁極式同步電動機的結構示意圖(a) 凸極式； (b) 隱極式1定子；2轉子；3集流環(huán)一般同步電動機都做成凸極式，和直流電動機一樣，轉子磁極鐵心由鋼板沖成沖片后，疊壓而成，磁極上套有勵磁繞組，勵磁繞組用絕緣的銅線繞成，它與極身之間有絕緣。各磁極上勵磁繞組間的聯(lián)接，必須注意到通過勵磁電流以后，相鄰磁極的極性呈現(xiàn)N與S交替排列，勵磁繞組兩個出線端接到兩個集電環(huán)上，通過與集電環(huán)相接觸的靜止電刷向外引出，另外在磁極表面上裝有籠型繞組，這種籠型繞組稱為阻尼繞組，如圖1123所示。整個轉子由磁極、磁軛、勵磁繞組、轉子支架(大型同步

5、電動機有)、軸以及集電環(huán)等部件組成。勵磁用的直流電流一般由整流電源來供給，也可用一臺與同步電機同軸或非同軸的直流發(fā)電機供給。如果用永久磁鐵做成的轉子來代替直流勵磁的磁極，這種同步電動機，被稱為三相永磁同步電動機（即直流無刷電動機），由于三相永磁同步電動機的轉子不需用直流電流勵磁，所以結構更簡單，性能更好，是目前使用的主要伺服電動機之一。11.5同步電動機的起動 同步電動機的電磁轉矩是由定子電流建立的旋轉磁場和轉子磁場的相互作用而產(chǎn)生的，僅在這兩者相對靜止時，才能得到平均電磁轉矩。如將同步電動機勵磁接入電源時，同步電動機轉子磁場（轉子）是靜止不動的。當定子接入電網(wǎng)時，定子旋轉磁場立即以同步轉速相

6、對轉子磁場作相對運動，所以不能產(chǎn)生電磁轉矩，電機不能起動。這一現(xiàn)象可以用圖1122來說明。假設定子磁場的旋轉方向為逆時針方向，并在開始瞬間為圖1122(a) (a) (b) 圖1122 接通勵磁后起動時同步電動機的電磁轉矩 (a) 相互吸引； (b) 相互排斥所示的位置，由圖可見，此瞬間定子磁場和轉子磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉矩也為逆時針方向，是推動轉子向逆時針方向旋轉的。但由于機械慣性，轉動緩慢的轉子還未轉動時，定子磁場已向前轉動了一個極距，達到圖1122(b)所示的位置，此時定子磁極對轉子磁極間的電磁轉矩又為順時針方向轉動，其結果轉子承受了一個脈振轉矩，其平均轉矩為零，故同步電動機不能自行

7、起動。因此，要起動同步電動機必須借助于其他方法。目前同步電動機常用的起動方法有兩種，即變頻起動法和異步起動法。11.5.1 變頻起動法變頻起動方法是開始起動時，轉子先加上勵磁電流，定子邊通入頻率極低的三相交流電流，由于電樞磁動勢轉速極低，轉子便開始旋轉。定子邊電源頻率逐漸升高，轉子轉速也隨之逐漸升高；定子邊頻率達額定值后，轉子也達額定轉速，起動完畢。顯然定子邊的電源是一個可調頻率的變頻電源，一般是采用變頻裝置。大型同步電動機采用變頻起動方法的日漸增多。11.5.2 異步起動法異步起動方法即在凸極式同步電動機的轉子上裝置阻尼繞組而獲得起動轉矩，是一種常用的異步起動法。阻尼繞組和異步電動機的籠型繞

8、組很相似，只是它裝在轉子磁極的極靴上，如圖1123所示，所以有時也把這種阻尼繞組稱為起動繞組。圖1123 異步起動法原理接線圖11.6 無換向器電動機無換向器電動機是頻率閉環(huán)控制的同步電動機，亦稱自控式同步電動機。這種電動機是電力電子學與電機學互相交叉、互相滲透的結果，它標志著電機學科發(fā)展的方向。 無換向器電動機本體就是一臺同步電動機，但其調速性能又和直流電動機相似，所以這種電動機集交、直流電動機之優(yōu)點于一體，為電動機向高速化、大容量化發(fā)展開辟了道路。無換向器電動機的轉子若用永磁體勵磁，制成無刷結構，優(yōu)點就更為突出。本節(jié)分析無換向器電動機的有關內容。其他永磁電動機的內容稍后介紹。 11.6.1

9、無換向器電動機的分類按運行方式無換向器電動機分以下兩種。 一、交直交無換向器電動機 又稱無換向器電動機交直交系統(tǒng)。它是由交流電經(jīng)整流變成直流電，再由晶閘管或晶體管組成的逆變器變成頻率可調的交流電供給同步電動機，實質上這是一個頻率自控同步電動機的調速系統(tǒng)。這個系統(tǒng)主要由同步電動機、可控整流器、晶閘管或晶體管所組成的逆變器、位置檢測器以及控制線路等所組成，其示意圖如圖1124所示。 圖1124 交直交無換向器電動機 無換向器電動機交直交系統(tǒng)有一下特點：逆變橋可采用可關斷器件，結構簡單，控制靈活；調速范圍寬，可達3000：1或更高；使用永磁體勵磁轉子，制成無刷結構，轉子無損耗，效率高。這種電機適合于

10、高性能的伺服拖動系統(tǒng)，如高檔數(shù)控機床的給進拖動系統(tǒng)。二、交交無換向器電動機 又稱無換向器電動機交-交系統(tǒng)。它是利用晶閘管或晶體管組成的變頻器，直接把50Hz的交流電轉換成可變頻率的交流電供電的同步電動機，是另一種頻率自控同步電動機的調速系統(tǒng)。該系統(tǒng)也是由同步電動機、變頻器、位置檢測器以及控制線路等所組成，其示意圖如圖1125所示。圖1125 交交無換向器電動機示意圖 這種電路有以下特點：變流器輸出頻率在電源頻率以下，因此只能在同步轉速以下調速；變流器結構復雜，控制也復雜；電動機功率因數(shù)可接近于1，過載能力大。11.6.2 無換向器電動機的工作原理從結構上講，無換向器電動機系統(tǒng)中的同步電動機除了

11、裝有位置檢測器以外，與普通同步電動機的結構沒有根本區(qū)別，都是定子上安置空間對稱的三相交流繞組，轉子為直流勵磁或永磁體勵磁。從運行原理上講，無換向器電動機系統(tǒng)與直流電動機非常類似。從直流電機原理可知，為了保持旋轉的電樞磁勢與勵磁磁勢保持垂直，必須裝置換向器，而且電刷必須裝在幾何中性線上，以保持最大的電磁轉矩。但實際安裝中，換向器總會或多或少的偏離幾何中性線，然而直流電機仍然可以工作，只是電磁轉矩比電刷在幾何中性線上少了一些而已。這就說明，只要電樞磁勢與勵磁磁勢保持一定的夾角，電機就會得到一定的電磁轉矩。顯然當電樞磁勢與勵磁磁勢夾角為90（垂直時），電磁轉矩最大（直流電機就是如此），夾角為0時，電

12、磁轉矩消失（為0），夾角的大小改變時，電磁轉矩改變。無換向器電動機的運行原理，可以利用直流電機的原理來分析。一、無換向器同步電機電磁轉矩圖1126是一個無換向器同步電動機系統(tǒng)的組成原理，同步電動機的三相定子繞組為圖1126 無換向器同步電動機系統(tǒng)星形連接，每相繞組的出線端連接一個晶體管的發(fā)射極和另一個晶體管的集電極。前一個晶體管稱為正側晶體管，即V1、V3、V5；后一個晶體管稱為負側晶體管，即V4、V6、V2。轉子位置檢測器，用來檢測轉子旋轉到什么位置。晶體管控制電路根據(jù)位置檢測器檢測到的信號控制晶體管的通斷。為了簡便分析，圖1127所示為選定幾個特定時刻。 (a) (b) (c) 圖1127

13、 不同晶體管導通瞬時的電流與磁場相量圖(a) 電流從A相流入B相流出；(b) 電流從A相流入C相流出；(c) 電流從B相流入, C相流出 1. 060，V1、V6導通在這一時刻，如圖1127(a)所示。此時A相正側晶體管V1及B相負側晶體管V6處于導通狀態(tài)，電流經(jīng)V1從A相流入，經(jīng)V6從B相流出，如圖1127(a)中箭頭所示。將A相磁場與B相磁場兩者合成為磁場，即為此時電動機電樞磁場。的大小及方向如圖1127(a)下所示。此時定子繞組產(chǎn)生的電樞磁極的位置和轉子磁極在空間相差120電角度，與相互作用產(chǎn)生電磁轉矩，在這個電磁轉矩作用下，轉子將作逆時針方向旋轉，同時使與之間的夾角變化，電磁轉矩隨之變

14、化，在此期間晶體管V1和V6保持導通不變，保持不變。2. 6 0120，V1、V2導通當逆時針轉過空間60電角度（與之間的夾角為60）時，時間同樣過去了。這時使晶體管V1、V2導通、V6關斷，電流經(jīng)V1從A相流入，經(jīng)V2從C相流出，如圖1127(b)中箭頭所示。此時和的合成磁勢如圖1127(b)下所示?？梢奦1、V2導通時的電樞磁勢比V6、V1逆時針轉動了60電角度。的位置和再次相差120，在電磁轉矩的作用下，轉子繼續(xù)逆時針轉動，此時V1、V2導通仍然保持不變，也保持不變，和之間夾角變小。3. 120180，V2、V3導通 當再次逆時針轉過60（與之間的夾角又為60）時，時間也又過去了。這時使

15、晶體管V2、V3導通、V1關斷，電流經(jīng)V3從B相流入，經(jīng)V2從C相流出, 如圖1127(c)中箭頭所示。此時和的合成磁勢如圖1127(c)下所示?？梢奦2、V3導通時的電樞磁勢比V1、V2逆時針轉動了60電角度。的位置和又相差120，在電磁轉矩的作用下，轉子繼續(xù)逆時針轉動，此時V2、V3導通仍然保持不變，也保持不變，和之間夾角變小。以上3個時刻，逆時針轉動了空間電角度，（轉子）跟隨（旋轉磁場）逆時針轉動了同樣的空間電角度，時間也同樣過了電角度。顯然每隔60電角度躍進一次，每次逆時針向前躍進60空間電角度，而是連續(xù)旋轉的。由于的躍進，電磁轉矩有一定的脈動分量。另外半個周期讀者可以自行分析。綜合以

16、分析可見：（1） 只要轉子位置檢測器檢測出轉子磁極的不同位置，按照上述的順序去導通和截止各相出線端所連接的晶體管，保持磁極磁場滯后電樞磁場的最大角度為120電角度，最小電角度60的位置關系，便可使三相同步電動機產(chǎn)生電磁轉矩運行。（2） 滿足（1）中導通情況，各相晶體管在360電角度內導通順序如表111所示。 表111 三相同步電動機的晶體管導通順序轉子位置（電角度）0 60 120 180 240 300 360三相繞組電流ABACBCBACACB正側導通晶體管 A (V1) B(V3) B(V5)負側導通晶體管B(V6) C(V2) A(4) B(6)可見：在一個周期中，每一個晶體管導通12

17、0。各晶體管按12、23、34、45、56、61的順序導通。(3) 根據(jù)表111，可以畫出各相電流的波形如圖1128所示。圖1128 電樞三相繞組的電流波形圖 可見：在一個周期中，每相繞組正向導通120，停60，再反向導通120。每相繞組中的電流是交變電流。電樞旋轉磁場就是由這三相交流電流合成產(chǎn)生的。 同步電機系統(tǒng)中，無論是交直交系統(tǒng)還是交交系統(tǒng)，都有電流型與電壓型之分。電流型逆變器輸出方波電流，電壓型逆變器輸出方波電壓。在分析時要加一區(qū)別。小 結同步電動機轉子轉速與氣隙旋轉磁場的轉速嚴格同步，其轉速與定子繞組電流的頻率成正比，不隨負載轉矩的變化而改變。當電源頻率固定時，同步電動機不能實現(xiàn)變速控制。同步電動機也無法自行起動而進人工作狀態(tài)，因此需要借助于其它起動方法，例如在磁極上裝設起動繞組(亦稱阻尼繞組)，作異步起動。 同步電機雖然是交流電機，但與直流電機有相似之處，兩者在負載時，氣隙磁場都會受電樞磁場的影響（即電樞反應）發(fā)生顯著的變化；從勵磁效應看，這兩類電機都隸屬于雙邊勵磁的電機，兩者都存在所謂電樞反應問題。在同步電機中，電樞反應的性質與其內功率因數(shù)角有關。電樞反應的作用用同步電抗來表征，凸極式同步